三坐標(biāo)測(cè)量（接觸法）典型測(cè)量零件的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+UG】

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隨著如今數(shù)控加工越來(lái)越普及，對(duì)于一些模型的復(fù)雜曲面的加工，大都通過(guò)軟件建模，再進(jìn)行仿真加工得到NC程序后，之后只要進(jìn)行部分修改就可用于實(shí)際加工。這樣提高了生產(chǎn)效率以及縮短了編程時(shí)間，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)大有幫助。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的典型代表，在制造業(yè)，如航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、模具、精密機(jī)械和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用，已成為這些行業(yè)中不可缺少的加工手段。伴隨著全球制造業(yè)向我國(guó)逐步轉(zhuǎn)移的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)數(shù)控加工的需求必將呈現(xiàn)出高速、持續(xù)的增長(zhǎng)。隨著CAD/CAM、數(shù)控加工及快速成型等先進(jìn)制造的不斷發(fā)展，以及這些技術(shù)在模具行業(yè)中的普及應(yīng)用，模具設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域正發(fā)生著一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)及模擬量加工方式正逐步被基于產(chǎn)品三維數(shù)字化定義的數(shù)字化制造方式所取代。在這場(chǎng)技術(shù)革命中，逐步掌握三維CAD/CAM軟件的使用，并用于模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是其中的關(guān)鍵。因此選此課題進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。 二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述） 如今國(guó)內(nèi)外用于三維建模的CAD/CAM軟件有很多，如UG、CIMATRON、Pro/E、Master CAM、CAXA ME、CATIT等等。本設(shè)計(jì)所采用的UG軟件是美國(guó)EDS公司（現(xiàn)已經(jīng)被西門(mén)子公司收購(gòu)）的集 CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)，可以支持不同的硬件平臺(tái)。而CIMATRON屬于1982年成立的以色列CIMATRON公司，該軟件具有功能齊全、操作簡(jiǎn)便、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，受到小型加工企業(yè)特別是模具企業(yè)的歡迎，在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用。Master CAM是美國(guó)CNC Software公司研制開(kāi)發(fā)的CAD/CAM系統(tǒng)，它從一開(kāi)始就是在Windows平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的軟件，分成DESIGN設(shè)計(jì)模塊、MILL銑床加工模塊、LATHE車(chē)床加工模塊、WIRE線切割加工模塊。也是一種簡(jiǎn)單易學(xué)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型CAD/CAM軟件。CAXA ME制造工程師是我國(guó)北京北航海爾軟件有限公司開(kāi)發(fā)的一款CAD/CAM軟件，作為國(guó)產(chǎn)CAD/CAM軟件的代表，充分考慮中國(guó)特色，符合國(guó)內(nèi)工程師的操作習(xí)慣。高效易學(xué)，為數(shù)控加工行業(yè)提供了從造型、設(shè)計(jì)到加工代碼生成、加工仿真、代碼校驗(yàn)等一體化的解決方案。其他的CAD/CAM軟件還有法國(guó)達(dá)索公司的CATIT，在航空領(lǐng)域中大多使用CATIT軟件。DELCAM公司的POWERMILL、PTC公司的Pro/E、HZS公司的SPACE-E等等。 模型檢測(cè)的方法也有很多，現(xiàn)在大部分采用三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，本設(shè)計(jì)也是如此。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (Coordinate Measuring Machine, CMM，如圖一) 是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等測(cè)量能力的儀器，又稱(chēng)為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或三次元。在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應(yīng)用，成為3D檢測(cè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。幾十年以前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在工業(yè)界僅是極少人知道的。自從60年代起，由于電子、計(jì)算機(jī)及傳感器等技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能及應(yīng)用，也改善了許多，使制造工業(yè)可以達(dá)到高質(zhì)量、高效率及多功能等測(cè)量需求。因此質(zhì)量管理部門(mén)可以對(duì)工件的尺寸、幾何形狀及輪廓等測(cè)量達(dá)到快速且精確。 1920~1930年代間，由于萬(wàn)能測(cè)量顯微鏡及工具顯微鏡無(wú)法做軸方向的測(cè)量。1940年英國(guó)Coventry量規(guī)制造公司，首先推出以肉眼來(lái)讀標(biāo)準(zhǔn)尺及顯微鏡的比較測(cè)量方式的三坐標(biāo)測(cè)長(zhǎng)機(jī)。1950至1960年間英國(guó) Ferranti 公司真正制造出三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，但仍沿用肉眼讀出方式，因此需用熟練的技術(shù)人員來(lái)操作方能達(dá)成。1960年后，英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)所 (National Engineering Laboratory, NEL) 及國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)所 (National Physical Laboratory, NPL) 共同研究出使用線性光柵式 (Linear gratings) 及莫瑞條紋 (Moire’ fringes) 來(lái)編碼，這就是今日所用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)數(shù)值讀出方式，目前各軸移動(dòng)最小讀數(shù)可達(dá)0.001 mm，然后再配合計(jì)算機(jī)應(yīng)用。由于計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)為交談式，故在使用上十分方便，因而三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用，已為現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量不可或缺的利器。 圖一 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) CMM測(cè)量軟件發(fā)展趨勢(shì)： 對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，通常是設(shè)計(jì)部門(mén)提供二維圖紙，檢驗(yàn)部門(mén)根據(jù)圖紙對(duì)工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測(cè)。隨著三維CAD軟件的應(yīng)用，越來(lái)越多的技術(shù)部門(mén)使用三維CAD建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，各坐標(biāo)機(jī)廠家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測(cè)量軟件，直接將客戶(hù)設(shè)計(jì)好的三維CAD模型導(dǎo)入測(cè)量軟件進(jìn)行檢測(cè)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，不需要額外的圖紙，理論值可以直接捕獲，更可以進(jìn)行測(cè)量仿真，測(cè)頭干涉檢查等，所以，受到用戶(hù)的一致好評(píng)?；贑AD的測(cè)量成為目前三坐標(biāo)測(cè)量軟件的發(fā)展熱點(diǎn)。 在CAD設(shè)計(jì)中，一般的規(guī)則工件通過(guò)基本的特征命令即可完成三維實(shí)體設(shè)計(jì)，比如拉伸、打孔等，對(duì)于此類(lèi)工件的檢測(cè)，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。隨著工業(yè)造型的發(fā)展，以及加工中心的應(yīng)用，越來(lái)越多的工件被設(shè)計(jì)成復(fù)雜的形狀表面，比如覆蓋件、內(nèi)飾件等。曲線曲面的建構(gòu)技術(shù)在CAD造型中屬于比較高級(jí)的設(shè)計(jì)范疇，許多高檔三維CAD軟件都有專(zhuān)門(mén)的曲線、曲面處理模塊，使得用戶(hù)可以設(shè)計(jì)出B級(jí)甚至A級(jí)曲面。曲面類(lèi)工件的檢測(cè)，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量軟件提出了更高的要求。 三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案 本設(shè)計(jì)利用UG軟件對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)典型測(cè)量零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，再得到零件主要部分的NC程序。UG可將實(shí)體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體，而且具有良好的用戶(hù)介面，絕大多數(shù)功能都可通過(guò)圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行對(duì)象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能；同時(shí)，在每個(gè)操作步驟中，都有相應(yīng)的提示信息，便于用戶(hù)做出正確的選擇。所以只要了解了UG的基本操作，就能根據(jù)其CAD功能設(shè)計(jì)出符合要求的零件，并通過(guò)UG的CAM功能分析出零件主要部分的NC程序。 通過(guò)UG軟件進(jìn)行三維建模后，再通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，它的工作原理是首先將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。如圖二所示，要測(cè)量零件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面I內(nèi)，觸測(cè)內(nèi)孔壁上三個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)1、2、3），則根據(jù)這三點(diǎn)的坐標(biāo)值就可計(jì)算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)OI；如果在該截面內(nèi)觸測(cè)更多的點(diǎn)（點(diǎn)1，2，…，n，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)），則可根據(jù)最小二乘法或最小條件法計(jì)算出該截面圓的圓度誤差；如果對(duì)多個(gè)垂直于孔軸線的截面圓（I，II，…，m，m為測(cè)量的截面圓數(shù)）進(jìn)行測(cè)量，則根據(jù)測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)值可計(jì)算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，再根據(jù)各圓心坐標(biāo)值又可計(jì)算出孔軸線位置；如果再在孔端面A上觸測(cè)三點(diǎn)，則可計(jì)算出孔軸線對(duì)端面的位置度誤差。由此可見(jiàn)，CMM的這一工作原理使得其具有很大的通用性與柔性。從原理上說(shuō)，它可以測(cè)量任何零件的任何幾何元素的任何參數(shù)。 圖二 坐標(biāo)測(cè)量原理圖 利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量有兩種方法：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量（激光掃描測(cè)量）。接觸式測(cè)量的測(cè)量步驟為首先運(yùn)行空氣壓縮機(jī)，清潔導(dǎo)軌面。溫度濕度滿(mǎn)足要求；再對(duì)電器系統(tǒng)加電、機(jī)器加電；然后運(yùn)行測(cè)量軟件PC-DMIS CAD++（或者非接觸式測(cè)量激光掃描軟件Hark）；標(biāo)定測(cè)頭及標(biāo)準(zhǔn)球，測(cè)量基本元素，再建立“3－2－1”坐標(biāo)系，最后對(duì)零件參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。而激光掃描測(cè)量的測(cè)量步驟則是在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)零件進(jìn)行掃描，導(dǎo)出點(diǎn)云圖，最后再進(jìn)行逆向工程處理。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 設(shè)計(jì)技術(shù)要求（目標(biāo)）： 1.三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)典型測(cè)量零件的設(shè)計(jì)； 2.零件部分?jǐn)?shù)控精加工程序的編制； 3.圖紙、論文等符合規(guī)范要求。 本設(shè)計(jì)的主要特色是通過(guò)設(shè)計(jì)三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)典型測(cè)量零件，熟悉三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)；通過(guò)UG軟件培養(yǎng)自身CAD設(shè)計(jì)能力；最后對(duì)所設(shè)計(jì)零件的典型曲面進(jìn)行CAM設(shè)計(jì)并通過(guò)后處理生成NC程序。 工作進(jìn)度： 1.調(diào)研、搜集資料、確定方案、外文翻譯（6000實(shí)詞以上）3月25日前 2. 分析確定三坐標(biāo)（接觸法）測(cè)量的典型測(cè)量零件的方案 4月8日前 3. 三坐標(biāo)（接觸法）測(cè)量典型零件的三維實(shí)體設(shè)計(jì) 4月29日前 4. 零件數(shù)控精加工程序的編制及仿真 5月13日前 5.對(duì)現(xiàn)有類(lèi)似零件進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，編制測(cè)量工藝規(guī)程 5月27日前 6.撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6月24日前 五、參考文獻(xiàn) [1]. 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